电力电子应用技术莫正康版主编.ppt

第四章全控型电力电子器件 门极可关断晶闸管 在晶闸管问世后不久出现 20世纪80年代以来 信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合 高频化 全控型 采用集成电路制造工艺的电力电子器件 从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代 典型代表 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管 典型全控型器件 术语用法 电力晶体管 GiantTransistor GTR 直译为巨型晶体管 耐高电压 大电流的双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 英文有时候也称为PowerBJT 在电力电子技术的范围内 GTR与BJT这两个名称等效 应用20世纪80年代以来 在中 小功率范围内取代晶闸管 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代 一 GTR的结构和工作原理 GTR的结构与工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高 电流大 开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 在应用中 GTR一般采用共发射极接法 集电极电流ic与基极电流ib之比为 GTR的电流放大系数 反映了基极电流对集电极电流的控制能力产品说明书中通常给直流电流增益hFE 在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比 一般可认为 hFE 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多 通常为10左右 采用达林顿接法可有效增大电流增益 二 GTR的基本特性1 静态特性共发射极接法时的典型输出特性 截止区 放大区和饱和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态 即工作在截止区或饱和区 2 动态特性开通过程延迟时间td和上升时间tr 二者之和为开通时间ton 关断过程储存时间ts和下降时间tf 二者之和为关断时间toff GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管和GTO都短很多 前已述及 电流放大倍数 直流电流增益hFE 集射极间漏电流Iceo 集射极间饱和压降Uces 开通时间ton和关断时间toff此外还有 1 最高工作电压UMGTR上电压超过规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关 还与外电路接法有关 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时 最高电压UM取 1 2 1 3 BUceo 三 GTR的主要参数 2 集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1 2 1 3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量 只能用到IcM的一半 3 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC 间接表示了最高工作温度 门极可关断晶闸管简称GTO 是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件 可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通 负的脉冲电流使其关断 目前GTO的生产水平已达到6000V 6000A 频率为1kHz 其研制水平可达到9000V 8000A 一 GTO的结构与工作原理 GTO结构原理与普通晶闸管相似 为PNPN四层三端半导体器件 二 GTO的主要特性 1 阳极伏安特性 逆阻型GTO的阳极伏安特性它与普通晶闸管的伏安特性极其相似 目UDRM和URRM等术语的含义也相同 2 通态压降特性 三 GTO的主要参数 1 最大可关断阳极电流IATO 2 关断增益 off off一般很小 只有5左右 这是GTO的一个主要缺点 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益 也分为结型和绝缘栅型 类似小功率FieldEffectTransistor FET 但通常主要指绝缘栅型中的MOS型 MetalOxideSemiconductorFET 简称电力MOSFET PowerMOSFET 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管 StaticInductionTransistor SIT 特点 用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单 需要的驱动功率小 开关速度快 工作频率高可达 MHz 热稳定性优于GTR 电流容量小 耐压低 一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型 对于N P 沟道器件 栅极电压大于 小于 零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型 一 功率MOSFET的结构与工作原理 电力MOSFET的工作原理截止 漏源极间加正电源 栅源极间电压为零 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏 漏源极之间无电流流过 导通 在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT 开启电压或阈值电压 时 栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度 使P型半导体反型成N型而成为反型层 该反型层形成N沟道而使PN结J1消失 漏极和源极导电 二 功率MOSFET的主要特性 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ID较大时 ID与UGS的关系近似线性 曲线的斜率定义为跨导Gfs 电力MOSFET的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 MOSFET的漏极伏安特性 截止区 对应于GTR的截止区 饱和区 对应于GTR的放大区 非饱和区 对应于GTR的饱和区 电力MOSFET工作在开关状态 即在截止区和非饱和区之间来回转换 电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管 漏源极间加反向电压时器件导通 电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数 对器件并联时的均流有利 电力MOSFET的转移特性和输出特性a 转移特性b 输出特性 开关时间在10 100ns之间 工作频率可达100kHz以上 是电力电子器件中最高的 场控器件 静态时几乎不需输入电流 但在开关过程中需对输入电容充放电 仍需一定的驱动功率 开关频率越高 所需要的驱动功率越大 电力MOSFET电压定额 1 漏极电压UDS 2 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额 3 栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄 UGS 20V将导致绝缘层击穿 除跨导Gfs 开启电压UT外还有 三 功率MOSFET的主要参数 GTR和GTO的特点 双极型 电流驱动 有电导调制效应 通流能力很强 开关速度较低 所需驱动功率大 驱动电路复杂 MOSFET的优点 单极型 电压驱动 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 所需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi MOS器件绝缘栅双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT或IGT GTR和MOSFET复合 结合二者的优点 具有好的特性 1986年投入市场后 取代了GTR和一部分MOSFET的市场 中小功率电力电子设备的主导器件 继续提高电压和电流容量 以期再取代GTO的地位 一 IGBT的工作原理三端器件 栅极G 集电极C和发射极E a 内部结构断面示意图b 简化等效电路c 电气图形符号 E 1 IGBT的结构图a N沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBT N IGBT 图b 简化等效电路表明 IGBT是GTR与N沟道MOSFET组成的达林顿结构 一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 E 2 IGBT的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同 场控器件 通断由栅射极电压uGE决定 导通 uGE大于开启电压UGE th 时 MOSFET内形成沟道 为晶体管提供基极电流 IGBT导通 关断 栅射极间施加反压或不加信号时 MOSFET内的沟道消失 晶体管的基极电流被切断 IGBT关断 1 IGBT的静态特性 二 IGBT的主要特性 转移特性 IC与UGE间的关系 与MOSFET转移特性类似 开启电压UGE th IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE th 随温度升高而略有下降 在 25 C时 UGE th 的值一般为2 6V 输出特性 伏安特性 以UGE为参考变量时 IC与UCE间的关系 分为四个区域 截止区 放大区 饱和区 击穿区 三 IGBT的主要参数 1 集射极击穿电压BUCES2 开启电压UGE th 2 6V3 通态压降UCE on 2 3V 4 最大栅射极电压UGES 20V5 集电极连续电流IC和峰值电流ICM IGBT与MOSFET和GTR的比较 静电感应晶体管简称SIT 是一种靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失来实现开关功能的器件 一 静电感应晶体管SIT SIT StaticInductionTransistor 结型场效应晶体管多子导电的器件 工作频率与电力MOSFET相当 甚至更高 功率容量更大 因而适用于高频大功率场合 在雷达通信设备 超声波功率放大 脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用 缺点 栅极不加信号时导通 加负偏压时关断 称为正常导通型器件 使用不太方便 通态电阻较大 通态损耗也大 因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用 静电感应晶闸管简称SITH 它是利用电场效应来控制器件的导通能力 又称为场控晶闸管 二 静电感应晶闸管SITH SITH StaticInductionThyristor 又被称为场控晶闸管 FieldControlledThyristor FCT 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结 SITH是两种载流子导电的双极型器件 具有电导调制效应 通态压降低 通流能力强 其很多特性与GTO类似 但开关速度比GTO高得多 是大容量的快速器件 SITH一般也是正常导通型 但也有正常关断型 此外 其制造工艺比GTO复杂得多 电流关断增益较小 因而其应用范围还有待拓展 IGCT IntegratedGate CommutatedThyristor 集成门极换流晶闸管 也称GCT Gate CommutatedThyristor 20世纪90年代后期出现 结合了IGBT与GTO的优点 容量与GTO相当 开关速度快10倍 且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路 只不过所需的驱动功率仍很大 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争 试图最终取代GTO在大功率场合的位置 返回 三 MOS控制晶闸管MCT MOS控制晶闸管 MCT 是80年代末出现的一种新型的电压控制型全控器件 它将MOSFET的高输入阻抗 快开关速度的特性与晶闸管的高压大电流特性结合在一起 产生出较理想的功率器件特性 MCT的控制信号以阳极为基准 门极加负脉冲导通 加正脉冲关断 MCT MOSControlledThyristor MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点 MOSFET的高输入阻抗 低驱动功率 快速的开关过程 晶闸管的高电压大电流 低导通压降 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成 每个元的组成为 一个PNPN晶闸管 一个控制该晶闸管开通的MOSFET 和一个控制该晶闸管关断的MOSFET MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件 因此 20世纪80年代以来一度成为研究的热点 但经过十多年的努力 其关键技术问题没有大的突破 电压和电流容量都远未达到预期的数值 未能投入实际应用 与IGBT等其他电力电子器件相比 MCT具有如下优点 1 电压 电流容量大 2 通态压降小 约为1 IV 仅是IGBT通态压降的1 3 3 di dt和du dt耐量极高 可分别达到2000A s和20000V s 4 开关速度快 开通时间为200ns 可在2 s时间内关断1000V电压 5 工作温度高 四 电子注入增强型栅极晶体管 电子注入增强型栅极晶体管简称IEGT 它是近年来发展起来的一种IGBT派生器件 五 功率集成电路 功率集成电路简称PIC 它把电力电子技术与微电子技术有机的融合在一起 将电力电子器件及其具有逻辑 控制 驱动 保护 传感 检测和自诊断等功能的电路集成在一块芯片上